模鍛件復合式沖孔連皮結構優化設計

總裝備部裝甲兵軍事代表局 （北京 100851） 韓 琦

北方通用動力集團有限公司鍛造廠 （山西大同 037036） 李志廣

沈陽建筑大學市政與環境工程學院 （遼寧 110168） 李 萌

環類件在開式模鍛時一般不能鍛出通孔，應在模鍛件內孔內保留一定厚度的沖孔連皮（重量約占鍛件重量5%～10%）；沖孔連皮分上下模對稱的平底連皮、斜底連皮、帶倉連皮、拱底連皮及壓凹連皮5種基本結構形式。如果沖孔連皮設計不當，則會導致其鍛造工藝性差，難變形區大，變形力大，金屬流動性差，鍛造缺陷多，質量穩定性差，材料消耗大，鍛造效率低，以及鍛模使用壽命低等不利現象。理論與實踐表明，模鍛件復合式沖孔連皮結構優化設計是克服上述缺點的一種有效途徑。

1. 復合式沖孔連皮結構與應用實例

模鍛件復合式沖孔連皮結構是指在鍛模設計時將平底連皮、斜底連皮、帶倉連皮、拱底連皮及壓凹連皮中兩種結構以上組合運用，或與模鍛飛邊及坯料（或鍛件）等結構組合運用而獲得的復合式沖孔連皮結構。

根據不同使用條件具體可分為上（下）模拱底和下（上）模平底的復合式、上（下）模平底和下（上）模壓凹的復合式、上（下）模平底和下（上）模斜底的復合式、上（下）?；蛏舷履Ｆ降字泻行钡椎膹秃鲜降?大類結構形式。

（1）上（下）模拱底和下（上）模平底復合式沖孔連皮結構 圖1為齒輪分步復合模鍛成形的流程：先將坯料1模鍛成形齒輪鍛件3和形成大齒輪的上模拱底連皮與下模平底連皮復合式沖孔連皮結構2，再利用其沖孔連皮2模鍛材料牌號相同的止推墊6，最后將止推墊6鍛件的沖孔連皮5再沖切或機加成螺母墊片8。

齒輪分步復合模鍛成形實現了平底連皮與拱底連皮復合式沖孔連皮廢料的循環再利用，可最大限度地提高齒輪鍛件材料利用率，原材料消耗降低12%，鍛件成本降低10%，具有綠色制造與循環經濟的特點。

圖1 齒輪分步復合模鍛成形流程

（2）上（下）模平底和下（上）模壓凹的復合式沖孔連皮結構 如圖2所示，進排氣齒輪模鍛件形狀特點（零件錐形內孔尺寸過小且上小下大），在模鍛成形時，宜采用上壓凹連皮和下平底連皮復合式沖孔連皮結構，即將距離分模面8mm的φ28mm×（8～26）mm平底沖孔連皮凸臺部分置于下模模膛，這要比SR12.5mm壓凹凸臺部分置于上模模膛的效果更佳：放置坯料相對容易，鍛造效率高，鍛模使用壽命高。

圖2 進排氣齒輪模鍛件

（3）上（下）模平底和下（上）模斜底的復合式沖孔連皮結構 如圖3為不銹鋼殼體模鍛件本身底部為平底連皮結構，變形水平方向流動阻力大，難變形區大，模膛凸出部分易磨損、堆塌和易斷裂失效，鍛模使用壽命極低。經改進，特將原平底連皮結構設計為上模斜底和下模平底復合式連皮結構，可有效克服上述缺點。

圖3 不銹鋼殼體模鍛件

（4）上（下）?；蛏舷履Ｆ降字薪院行钡椎膹秃鲜經_孔連皮結構 如座體模鍛件的內孔尺寸較大（見圖4、圖5），原設計皆為傳統的平底沖孔連皮結構。如果沖孔連皮過薄，水平方向變形阻力過大，難變形區大，模膛凸出部分易磨損和堆塌，鍛模使用壽命低，折疊、模鍛不足和局部未充滿等缺陷多，鍛造效率低。沖孔連皮過厚，雖然有助于克服上述不利因素，但不利于去除沖孔連皮，也浪費金屬材料。

在實際設計中，根據圖4座體熱模鍛件的形狀特點（上模變形量大、下模變形量?。?，特將圖4座體熱模鍛件的原平底沖孔連皮結構優化改進設計為上模平底中含有斜底、下模仍為平底的復合式沖孔連皮結構，則可有效克服原平底沖孔連皮設計結構缺點。根據圖5座體熱模鍛件的形狀特點（與圖4相比，上下模的變形量都比較大），特將圖5座體熱模鍛件的原平底沖孔連皮結構優化改進設計為上下模平底中皆含有斜底的復合式沖孔連皮結構，則可有效克服原平底沖孔連皮設計結構缺點。

圖4 座體熱模鍛件

圖5 座體熱模鍛件

優化設計的圓環座體模鍛件的上下模平底連皮中，含有斜底連皮的復合式結構，其沖孔平底連皮厚度和復合斜底連皮最小厚度可按下式計算：

式中S——平底連皮厚度（mm）；

d——鍛件內孔直徑（mm）；

h——鍛件內孔深度（mm）；

Smin——復合斜底連皮最小厚度（mm）。

以圖5座體模鍛件S和Smin的計算為例（圖4座體模鍛件S和Smin的計算于此同理），將d＝209mm和h＝22.5-5＝17.5mm代入式（1），可得模鍛平底連皮厚度S＝8.9mm，因復合斜底沖孔連皮可有效降低沖孔連皮尺寸，因此，實際優化設計為8.0mm較為合理。將S＝8.0mm代入式（2），可得復合斜底連皮最小厚度Smin＝5.2mm，充分考慮該復合斜底連皮的實際有效直徑尺寸為φ165mm及考慮沖孔連皮厚薄應適度。

因此，實際優化設計為5.0mm較為合理。座體沖孔連皮結構優化設計，可達到座體模鍛的難變形區小、金屬流動效果好、省力成形效果好、尺寸一致性好，減少材料消耗至少0.30kg/件，減少錘擊次數2～4錘次/件、提高切邊沖孔效率，以及提高鍛模與沖孔模使用壽命等效果。

2. 結語

（1）模鍛件復合式沖孔連皮的四大結構形式沒有統一固定模式，在實際設計與應用時，應一切從實際出發，尤其是要根據環類件的形狀特點或模鍛工步等約束條件來綜合優選確定。

（2）理論與實踐表明，模鍛件復合式沖孔連皮結構優化設計，是有效改善具有沖孔連皮結構鍛件的模鍛工藝性，減小難變形區及金屬變形阻力，減少材料消耗、變形力和鍛造缺陷，以及提高質量穩定性、鍛造效率和鍛模使用壽命的一種行之有效的方法，具有技術上的可行性、質量上的可靠性和經濟上的合理性。